CN108839657B - 一种基于汽车振动响应在线识别路面不平度信息的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于汽车振动响应在线识别路面不平度信息的方法，包括以下步骤：步骤一、在标定路面上，计算两个不同车速u₁和u₂对应的第一时域广义国际平整度指数IRI_E1和第二时域广义国际平整度指数IRI_E2，测量标定车辆在车速u时汽车振动响应量，分别建立IRI_E1和汽车振动响应量的第一回归模型，IRI_E2和汽车振动响应量的第二回归模型；步骤二、在待测路面上，测量标定车辆在车速u时汽车振动响应量；步骤三、将汽车振动响应量分别代入第一回归模型和第二回归模型，计算待测路面的第一频域广义国际平整度指数IRI_E1′和第二频域广义国际平整度指数IRI_E2′；步骤四、根据所述IRI_E1′和IRI_E2′计算路面频率指数和路面不平度系数。本发明提供的方法能同时在线辨识出频率指数和路面不平度系数。

Description

一种基于汽车振动响应在线识别路面不平度信息的方法

技术领域

本发明涉及车辆工程中的路面特征识别技术领域，尤其涉及一种基于汽车振动响应在线识别路面不平度信息的方法。

背景技术

随着汽车行业的迅速发展，人们对汽车的舒适性和操作稳定性有了更好的追求。路面不平度作为汽车振动的主要激励源，对汽车舒适性和操纵稳定性的具有较大影响。近年来，主动、半主动悬架的控制是协调汽车舒适性和操作稳定性最直接有效的手段，而路面不平度信息为实现这一目的提供了不可或缺的依据。因此，在线获取路面不平度信息具有重要意义。

目前，在车辆工程，路面不平度信息的识别分为两类：(1)路面不平度纵断面的识别和(2)路面谱的识别。当然，后者可以在前者的基础通过数学变换实现。

路面不平度纵断面的识别方法有基于激光发射器的测量方法、基于摄像图像处理的方法、神经网络方法、数值最优方法、控制-约束方法、Youla-Kucera参数化方法、状态子空间识别方法和支持向量机的方法等。但这些方法受车辆模型精度、车辆运行工况、数据处理运算效率和测量操作复杂程度的制约。

路面谱的识别方法有频域分析方法和时频域的虚拟激励方法。但这些方法需将***假定为线性***、获取反映车辆属性的传递函数、且受车速影响较大。此外，相较于路面不平度纵断面的识别方法，路面谱的识别方法虽数据处理量较少，但也是相当可观的。2014年江苏大学提出专利申请“一种路面不平度在线辨识方法”(申请号：201410581629.X)，涉及一种基于簧下质量加速度均方根值和车速的路面不平度信息检测方法，但此发明是在频率指数固定为2.0下实现的，而实际路面的频率指数一般在1.5到3.5之间变动，且频率指数对汽车振动响应具有重要的影响。

发明内容

本发明为解决目前的技术不足之处，提供了一种基于汽车振动响应在线识别路面不平度信息的方法，能同时在线辨识出频率指数和路面不平度系数。

本发明提供的技术方案为：

一种基于汽车振动响应在线识别路面不平度信息的方法，包括以下步骤：

步骤一、在标定路面上，计算两个不同车速u₁和u₂对应的第一时域广义国际平整度指数IRI_E1和第二时域广义国际平整度指数IRI_E2，测量标定车辆在车速u时汽车振动响应量，分别建立所述第一时域广义国际平整度指数IRI_E1和汽车振动响应量的第一回归模型，所述第二时域广义国际平整度指数IRI_E2和汽车振动响应量的第二回归模型；

步骤二、在待测路面上，测量标定车辆在车速u时汽车振动响应量；

步骤三、将所述步骤二中测得的汽车振动响应量分别代入所述第一回归模型和所述第二回归模型，分别计算待测路面的第一频域广义国际平整度指数IRI_E1′和第二频域广义国际平整度指数IRI_E2′；

步骤四、根据所述第一频域广义国际平整度指数IRI_E1′和第二频域广义国际平整度指数IRI_E2′计算路面频率指数和路面不平度系数，其中，所述频率指数W满足：

所述路面不平度系数G_q(n₀)满足：

其中，F(G_q(n₀),W)满足：

或

F(W)满足：

其中，n₀为参考空间频率，n₀＝0.1m^-1，为黄金车辆的簧载质量与非簧载质量相对垂直速度的频率响应函数，f为时间频率，f_l为时间频率下限，f_u为时间频率上限。

优选的是，所述黄金车辆满足：

其中，m_s为簧载质量，m_u为非簧载质量，k_s为悬架刚度，k_t为轮胎刚度，c_s为悬架阻尼。

优选的是，在所述步骤一中，

所述汽车振动响应量为单位行驶里程内前悬架动行程累积值或单位行驶里程内后悬架动行程累积值或前轴非簧载质量质心垂直加速度均方根值或后轴非簧载质量质心垂直加速度均方根值。

优选的是，所述步骤一中建立回归模型包括以下步骤：

步骤a、测量所述标定路面的不平度；

步骤b、基于所述不平度，计算所述第一时域广义国际平整度指数IRI_E1和所述第二时域广义国际平整度指数IRI_E2；

步骤c、在所述标定路面上，测量车速u时单位行驶里程内前悬架动行程累积值和前轴非簧载质量质心垂直加速度均方根值；

步骤d、建立所述第一时域广义国际平整度指数IRI_E1和前轴非簧载质量质心垂直加速度均方根值的第一回归模型；建立所述第二时域广义国际平整度指数IRI_E2和单位行驶里程内前悬架动行程累积值的第二回归模型。

优选的是，u₁＝40km/h，u₂＝80km/h，u＝80km/h。

优选的是，所述第一回归模型满足：

其中，为前轴非簧载质量质心垂直加速度均方根值，单位是m/s²。

优选的是，所述第二回归模型满足：

IRI_E2＝-2444.924c_fd ²+1031.190c_fd-0.038

其中，c_fd为单位行驶里程内前悬架动行程累积值，单位是m/m。

优选的是，所述第一回归模型中所述汽车振动响应量选取所述标定车辆的前轴非簧载质量质心垂直加速度均方根值，所述第二回归模型中所述汽车振动响应量选取所述标定车辆的单位行驶里程内前悬架动行程累积值。

优选的是，在所述步骤一中，所述时域广义国际平整度指数IRI_Ei满足：

其中，L为汽车行驶的总距离；和分别为所述黄金车辆的簧载质量和非簧载质量的垂直速度，是汽车行驶时间_t的函数。

优选的是，所述步骤四中，所述黄金车辆的簧载质量与非簧载质量相对垂直速度的频率响应函数的满足：

其中，j为虚数单位；μ为簧载质量与非簧载质量的比值；c为悬架刚度与簧载质量的比值；k₁为轮胎刚度与簧载质量的比值；k₂为悬架刚度与簧载质量的比值。

本发明所述的有益效果：1)利用广义国际平整度指数IRI_E与汽车振动响应量的回归模型，实现路面不平度信息的在线识别，大幅降低了数据处理量，实时运算量很小，提高了在线识别效率；2)能同时在线识别频率指数和路面不平度系数，对路面不平度信息的提取更为全面；3)通过汽车悬架***自带的传感器，测量汽车振动响应量，降低了测量成本，可操作性强；4)无需获取车辆模型参数和测量车辆传递函数，对汽车类型具有较好的适用性，可移植性好。

附图说明

图1为本发明所述的基于车辆振动响应在线识别路面不平度信息的流程图。

图2为本发明所述的黄金车辆模型和模型参数。

图3为本发明1/2汽车6自由度振动***力学模型。

图4为本发明的IRI_E1与前轴非簧载质量质心垂直加速度均方根值的相关关系图。

图5为本发明的IRI_E2与单位行驶里程内前悬架动行程累积值的相关关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供一种基于汽车振动响应在线识别路面不平度信息的方法，包括如下步骤：

步骤一：在标定路面上，计算两个不同车速u₁和u₂对应的第一时域广义国际平整度指数IRI_E1和第二时域广义国际平整度指数IRI_E2，测量标定车辆在车速u时汽车振动响应量，分别建立IRI_E1和汽车振动响应量的第一回归模型，IRI_E2和汽车振动响应量的第二回归模型：

黄金车辆力学模型及参数，如图2所示，模型中各个参数代表的意义为：m_s和m_u分别为簧载质量和非簧载质量，k_s和k_t分别为悬架刚度和轮胎刚度，c_s为悬架阻尼，z_s和z_u分别为簧载质量和非簧载质量的垂直位移，μ为簧载质量与非簧载质量的比值，c为悬架刚度与簧载质量的比值，k₁为轮胎刚度与簧载质量的比值，k₂为悬架刚度与簧载质量的比值。且满足：

基于国际平整度指数(international roughness index)的定义，对其拓展，定义任意均匀车速u_i下单位行驶里程内黄金车辆悬架动行程累积量，为广义国际平整度指数IRI_Ei，其时域数学表达式为：

其中，L为汽车行驶的总距离；和分别为黄金车辆的簧载质量和非簧载质量的垂直速度，是汽车行驶时间t的函数。

在标定路面上，建立时域广义国际平整度指数与汽车振动响应量的回归模型，包括以下步骤：

(1)在用于标定的路面上，采用激光断面仪，测量标定路面的不平度；

(2)求取两个不同车速u₁＝40km/h和u₂＝80km/h对应的第一时域广义国际平整度指数IRI_E1和第二时域广义国际平整度指数IRI_E2值；

(3)以固定车速u＝80km/h，标定车辆在标定路面上行驶，本实施例测量的汽车振动响应量为单位行驶里程内前悬架动行程累积值和前轴非簧载质量质心垂直加速度均方根值；

(4)分别建立所述第一时域广义国际平整度指数IRI_E1和汽车振动响应量(前轴非簧载质量质心垂直加速度均方根值)的第一回归模型，所述第二时域广义国际平整度指数IRI_E2和汽车振动响应量(单位行驶里程内前悬架动行程累积值)的第二回归模型。

图3是某标定车辆的1/2汽车6自由度振动***力学模型，模型参数已知。图中，m₁和m₂分别为前、后轴非簧载质量，m₃和m_4y分别为簧载质量和簧载质量绕其质心的纵向转动惯量，m₅和m₆分别为前、后座椅上人体质量，c_sf和c_sr分别为前、后座椅垂直阻尼系数，c_f和c_r分别为前、后悬架的垂直阻尼系数，k_sf和k_sr分别为前、后座椅垂直刚度，k_f和k_r分别为前、后悬架的垂直刚度，k_tf和k_tr分别为前、后轮胎的垂直刚度，a和b为簧载质量质心分别到前、后轴的纵向距离，l₁和l₂为簧载质量质心分别到前、后排座椅的纵向距离，z₁和z₂分别为前、后轴非簧载质量质心的垂直位移，z₃和θ₄分别为簧载质量质心的垂直位移和簧载质量质心绕其质心的纵向角位移，z₅和z₆分别为前、后座椅上人体质量质心的垂直位移，q₁和q₂分别为前、后处的路面激励。

图4为IRI_E1与前轴非簧载质量质心垂直加速度均方根值的相关关系，建立IRI_E1和前轴非簧载质量质心垂直加速度均方根值的第一回归模型为：

其中，为前轴非簧载质量质心垂直加速度均方根值，单位是m/s²；

图5为IRI_E2与单位行驶里程内前悬架动行程累积值的相关关系，建立IRI_E2和单位行驶里程内前悬架动行程累积值的第二回归模型为：

IRI_E2＝-2444.924c_fd ²+1031.190c_fd-0.038，R＝0.9997 (3)

其中，c_fd为单位行驶里程内前悬架动行程累积值，单位是m/m。

步骤二：在待测路面上，测量所述步骤一选定的汽车振动响应量：

在待测路面上，以所述步骤一中固定车速u＝80km/h，设置采样频率为100Hz，分别测量标定车辆的前轴非簧载质量质心垂直加速度均方根值和单位行驶里程内前悬架动行程累积值。

步骤三：求取待测路面的频域广义国际平整度指数IRI_E′值：

步骤S310：基于所述步骤二测量的前轴非簧载质量质心垂直加速度均方根值，结合式(2)，求取待测路面的第一频域广义国际平整度指数IRI_E1′值；

步骤S320：基于所述步骤二测量的单位行驶里程内前悬架动行程累积值，结合式(3)，求取待测路面的第二频域广义国际平整度指数IRI_E2′值；

步骤四：在线识别路面谱参数，即频率指数和路面不平度系数：

本发明采用公式(4)描述路面谱：

其中，G_q(n)为路面不平度空间频率功率谱密度，W为频率指数，G_q(n₀)为路面不平度系数，n₀为参考空间频率，n₀＝0.1m^-1。

(1)频率指数的在线识别

在线识别频率指数W为

其中，u₁＝40km/h和u₂＝80km/h是两个不同的车速，IRI_E1′和IRI_E2′分别是u₁＝40km/h和u₂＝80km/h对应的第一频域广义国际平整度指数和第二频域广义国际平整度指数。

(2)路面不平度系数的在线识别

路面不平度系数G_q(n₀)为

其中，F(G_q(n₀),W)和F(W)分别为

其中，n₀为参考空间频率，n₀＝0.1m^-1，为黄金车辆的簧载质量与非簧载质量相对垂直速度的频率响应函数，f为时间频率，时间频率下限f_l＝0Hz，时间频率上限f_u＝30Hz。

黄金车辆的簧载质量与非簧载质量相对垂直速度的频率响应函数的具体表达式为

其中，j为虚数单位；μ为簧载质量与非簧载质量的比值；c为悬架刚度与簧载质量的比值；k₁为轮胎刚度与簧载质量的比值；k₂为悬架刚度与簧载质量的比值。

为了便于本发明专利的理解和实施，下面给出求取路面不平度系数和频率指数的推导过程：

频域广义国际平整度指数IRI_Ei′的数学表达式为：

其中，G_q(f)为路面不平度时间频率功率谱密度。

路面不平度时间频率功率谱密度G_q(f)与路面不平度空间频率功率谱密度G_q(n)的关系为

其中，f＝u_in。

将式(4)代入到式(11)中，有

将式(12)代入到式(10)中，有

引入

则式(13)进一步转化成

对应于两个不同的车速u₁和u₂，频域广义国际平整度指数IRI_E1′和IRI_E2′分别为

将式(15)和式(16)左右两端对应相除，得

对式(17)两端取自然对数，有

因u₁≠u₂，则频率指数W为

结合式(14)和式(15)，路面不平度系数G_q(n₀)为

其中，或者

同样，该公式适用于已知时域广义国际平整度指数，求取路面频率指数和路面不平度系数。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种基于汽车振动响应在线识别路面不平度信息的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在标定路面上，计算两个不同车速u₁和u₂对应的第一时域广义国际平整度指数IRI_E1和第二时域广义国际平整度指数IRI_E2；测量标定车辆在车速u时的汽车振动响应量，分别建立所述第一时域广义国际平整度指数IRI_E1和汽车振动响应量的第一回归模型，所述第二时域广义国际平整度指数IRI_E2和汽车振动响应量的第二回归模型；

步骤二、在待测路面上，测量标定车辆在车速u时汽车振动响应量；

步骤三、将所述步骤二中测得的汽车振动响应量分别代入所述第一回归模型和所述第二回归模型，分别计算待测路面的第一频域广义国际平整度指数IRI_E1′和第二频域广义国际平整度指数IRI_E2′；

步骤四、根据所述第一频域广义国际平整度指数IRI_E1′和第二频域广义国际平整度指数IRI_E2′计算路面频率指数和路面不平度系数，其中，所述频率指数W满足：

所述路面不平度系数G_q(n₀)满足：

其中，F(G_q(n₀),W)满足：

或

F(W)满足：

其中，n₀为参考空间频率，n₀＝0.1m^-1，为黄金车辆的簧载质量与非簧载质量相对垂直速度的频率响应函数，f为时间频率，f_l为时间频率下限，f_u为时间频率上限；

所述黄金车辆满足：

其中，m_s为簧载质量，m_u为非簧载质量，k_s为悬架刚度，k_t为轮胎刚度，c_s为悬架阻尼。

2.根据权利要求1所述的基于汽车振动响应在线识别路面不平度信息的方法，其特征在于，在所述步骤一中，

所述汽车振动响应量为单位行驶里程内前悬架动行程累积值或单位行驶里程内后悬架动行程累积值或前轴非簧载质量质心垂直加速度均方根值或后轴非簧载质量质心垂直加速度均方根值。

3.根据权利要求2所述的基于汽车振动响应在线识别路面不平度信息的方法，其特征在于，所述步骤一中建立回归模型包括以下步骤：

步骤a、测量所述标定路面的不平度；

步骤b、基于所述不平度，计算所述第一时域广义国际平整度指数IRI_E1和所述第二时域广义国际平整度指数IRI_E2；

步骤c、在所述标定路面上，测量车速u时单位行驶里程内前悬架动行程累积值和前轴非簧载质量质心垂直加速度均方根值；

步骤d、建立所述第一时域广义国际平整度指数IRI_E1和前轴非簧载质量质心垂直加速度均方根值的第一回归模型；建立所述第二时域广义国际平整度指数IRI_E2和单位行驶里程内前悬架动行程累积值的第二回归模型。

4.根据权利要求3所述的基于汽车振动响应在线识别路面不平度信息的方法，其特征在于，

u₁＝40km/h，u₂＝80km/h，u＝80km/h。

5.根据权利要求4所述的基于汽车振动响应在线识别路面不平度信息的方法，其特征在于，所述第一回归模型满足：

其中，为前轴非簧载质量质心垂直加速度均方根值，单位是m/s²。

6.根据权利要求4所述的基于汽车振动响应在线识别路面不平度信息的方法，其特征在于，所述第二回归模型满足：

IRI_E2＝-2444.924c_fd ²+1031.190c_fd-0.038

其中，c_fd为单位行驶里程内前悬架动行程累积值，单位是m/m。

7.根据权利要求2所述的基于汽车振动响应在线识别路面不平度信息的方法，其特征在于，

所述第一回归模型中所述汽车振动响应量选取所述标定车辆的前轴非簧载质量质心垂直加速度均方根值，所述第二回归模型中所述汽车振动响应量选取所述标定车辆的单位行驶里程内前悬架动行程累积值。

8.根据权利要求1所述的基于汽车振动响应在线识别路面不平度信息的方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述时域广义国际平整度指数IRI_Ei满足：

其中，L为汽车行驶的总距离；和分别为所述黄金车辆的簧载质量和非簧载质量的垂直速度，是汽车行驶时间t的函数。

9.根据权利要求8所述的基于汽车振动响应在线识别路面不平度信息的方法，其特征在于，所述步骤四中，所述黄金车辆的簧载质量与非簧载质量相对垂直速度的频率响应函数的满足：

其中，j为虚数单位；μ为簧载质量与非簧载质量的比值；c为悬架刚度与簧载质量的比值；k₁为轮胎刚度与簧载质量的比值；k₂为悬架刚度与簧载质量的比值。